Czy automatyzacja jest nieuchronnym kierunkiem rozwoju branży morskiej energetyki wiatrowej? Czy jest w stanie wyprzeć człowieka? O obecnych rozwiązaniach i technologiach przyszłości mówi prof. dr hab. inż. Zbigniew Korczewski z Politechniki Gdańskiej.

Dochodzą do nas wiadomości o coraz nowszych rozwiązaniach dla offshore. Jak innowacje technologiczne wpływają na rozwój morskich farm wiatrowych już dziś?

Po pierwsze mamy systemy informatyczne. Turbiny morskie w zasadniczy sposób różnią się od tych, które mamy na lądzie. Na morzu ich dostępność obsługowa nie jest tak oczywista, jesteśmy uzależnieni nie tylko od dystansu 30-40 km od linii brzegowej, ale także od pogody. Wiadomo więc, że te złożone systemy elektroenergetyczne (bo tak je nazywamy) pracują bez bezpośredniego nadzoru operatorów i muszą być sterowane zdalnie. One pracują w sposób ciągły, bo turbina morska musi pracować co najmniej 330 dni w roku, i to przez 25 lat. Prawidłowe użytkowanie turbin wiatrowych – tzn. przy najwyższej sprawności i maksymalnej mocy – wymaga zastosowania złożonych systemów informatycznych. Dzisiaj mówimy o mocach 14-15 MW. Przekładając to na  wymiary i masę turbiny wiatrowej, mamy średnicę wirnika rzędu 220-240 metrów. Wirnik z zespołem napędowym o masie kilkuset ton jest posadowiony na wysokości nawet 150 metrów. I to wszystko się kręci.

Jedna kwestia to system informatyczny, który ma wspomagać człowieka w zakresie codziennego użytkowania, a inna – dozór diagnostyczny i obsługowy. Pracujące turbiny muszą być poddawane okresowo przeglądom technicznym i diagnozowane. Tu swoje zastosowanie ma sztuczna inteligencja i robotyka. Miałem możliwość wizytowania budowy farmy wiatrowej w Saint-Nazaire. Widziałem, jak jest przygotowywany taki system i rozmawiałem z przedstawicielami firm, które biorą udział w stawianiu morskich farm wiatrowych we Francji.

I czego się pan tam dowiedział?

Udało mi się wyłowić mnóstwo nowinek technologicznych, jak np. możliwość oceny stanu technicznego turbin wiatrowych z zastosowaniem dronów odpowiednio wyposażonych w aparaturę pomiarową.

Stosuje się tam również roboty do oceny stanu technicznego łopat wirnikowych. Najnowszy produkt brytyjski to robot inspekcyjny Blade Bug. Jest on w stanie przemieszczać się po ponad 100-metrowej łopacie  wirnikowej, dokonując rejestracji stanu jej powierzchni. Ma specjalne przyssawki, przypominające te wykorzystywane do badania EKG. To bardzo skomplikowane urządzenie. Co ciekawe, twórcą i pomysłodawcą, a także szefem tej firmy jest Polak z pochodzenia.

Który kraj wydaje się być najbardziej rozwinięty pod względem technologii dla offshore?

W systemach informatycznych monopol mają Duńczycy. Około 20 lat temu firma Vestas opatentowała system informatyczny SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). To zunifikowany system do nadzoru pracy turbin wiatrowych. Zbiera dane pomiarowe, wizualizuje dane na ekranach komputerów i wspomaga sterowanie procesem energetycznym. Składa się to na: włączenie, wyłączanie z ruchu, zmianę obciążenia, alarmowanie, archiwizację czy raportowanie danych. Z tym systemem można się połączyć z dowolnego punktu na świecie pod warunkiem, że ma się dostęp do internetu.

SCADA to system, który powstał już 20 lat temu?

Tak. Jest zunifikowany i ciągle doskonalony. Większość farm wiatrowych, nie tylko na morzu, ale też na lądzie, stosuje ten system, może z wyjątkiem Chin. Liczba kontrolnych parametrów pracy, które ten system obserwuje online, sięga rzędu 30-50, i więcej.

Są też systemy elektroakustyczne (SODAR, Sound Detection and Ranging) czy elektrooptyczne (LIDAR,Light Detection and Ranging). Pierwszy wykorzystuje zmianę częstotliwości odbitego sygnału akustycznego. W ten sposób jesteśmy w stanie bardzo precyzyjnie oszacować prędkość i kierunek wiatru. Drugi w analogiczny sposób mierzy to za pomocą wiązki laserowej.

Jak działają te systemy elektrooptyczne?

Na morzu mamy powietrze o określonej wilgotności. Tak naprawdę to suche powietrze, w którym znajdują się kropelki wody, a w nich najczęściej rozpuszczona jest sól. Mamy taką chmurę, która nie jest widoczna gołym okiem, ale w obrazie akustycznym czy laserowym – już tak. Zastosowanie optoelektroniki jest rzeczą nową, to zdecydowane wyjście do przodu jeśli chodzi o układy monitorowania i sterowania.

Podstawowy parametr to prędkość wiatru. Musimy do niej dostosować prędkość kątową obracania się wirnika. To tzw. współczynnik szybkobieżności, który charakteryzuje szybkość obracania się wierzchołka łopaty w stosunku do prędkości wiatru. Maksymalną moc ze strumienia wiatru osiągamy wtedy, gdy ten stosunek jest optymalny. To oczywiście musi robić automat, szczególnie na morzu.

Jakie są jeszcze wyzwania w offshore, w których robot może wyręczyć człowieka?

Ciekawe wyzwania eksploatatorów morskich farm wiatrowych związane są z przeprowadzaniem obsług. Jeśli coś się dzieje z turbiną lądową, jedzie ekipa serwisowa, dostaje się do gondoli na górze. Czasami może wystarczyć wejście do układu sterowania w segmencie podstawowym wieży – pierwszym od fundamentu.

Na morzu to musi być trudniejsze.

Wymiana podzespołów w warunkach morskich jest niezwykle skomplikowana. Trzeba tu jeszcze brać pod uwagę gabaryty i masy umieszczone na wysokościach (300-500 ton zamontowane na wysokości blisko 150 m). To wszystko musi działać bez bezpośredniego nadzoru.

Na morzu turbiny wiatrowe są co najmniej trzykrotnie większe, w sensie generowanej mocy. Systemy są bardziej złożone. Na lądzie można pojechać, zobaczyć, co się dzieje, w razie konieczności wyłączyć wirnik turbiny z ruchu i przeprowadzić naprawę. Taka prozaiczna sprawa – użytkowanie turbin morskich w warunkach zimowych. Na morzu przy niskich temperaturach istnieje dużo prawdopodobieństwo oblodzenia łopat wirujących, co przekłada się na drgania. A jeśli pojawiają się nadmierne drgania, to taka konstrukcja prędzej czy później pęknie, zgodnie z prawemWöhlera. Aby temu zapobiec, uruchamiany jest system ogrzewania łopat – sygnał z czujnika inicjuje włączenie nawiewu gorącego powietrza. To sposób mechaniczny. Może też być na zasadzie takiej, jak w samochodach, gdzie na tylnych szybach włącza się spiralka grzewcza. Przykład: system sterowania wyłapuje drgania, które wykazują, że mamy do czynienia z utratą stabilności układu mechanicznego wirnika turbiny, np. wskutek ubytków materiału, bądź deformacji  łopat. Warunki pogodowe panujące na morzu nie zawsze pozwalają na dostęp do obiektu.

Jak to jest zorganizowane?

Przez dwie sieci – Ethernet i Internet. Kilkadziesiąt parametrów, które są obserwowane, charakteryzują nie tylko stan pracy turbiny, ale też  stan drganiowy całej konstrukcji. Wszystko to mierzone jest online. Do tego służy system kontrolno-pomiarowy SCAIME. Zbiera on dane z czujników optoelektronicznych, wmontowanych w strukturę konstrukcyjną łopat, wież czy fundamentów już na etapie ich produkcji. Tutaj również jest problem z dostępnością do takiego systemu i jego naprawą w przypadku turbiny posadowionej na morzu. Odrębnym problemem metrologicznym jest zapewnienie wiarygodności pomiarowej zastosowanych przetworników optoelektronicznych w całych cyklu „życia” turbiny tj. przez 25 lat.

Oczywiście morska farma wiatrowa składa się najczęściej z blisko 30-70 turbin. Jądrem farmy jest podstacja, do której przesyłany jest prąd generowany  w poszczególnych turbinach. Jest w niej odpowiednio przetwarzany i już jako prąd stały przesyłany jest kablem podmorskim 30-40 km na ląd do stacji brzegowej. Przez ten kabel, oprócz tego, że znajdują się w nim żyły elektryczne, pociągnięta jest wiązka światłowodowa, którą dane pomiarowe są przesyłane do stacji lądowej. Parametry muszą być przetwarzane, a następnie poddane wnioskowaniu diagnostycznemu.

Jak odpowiednio przetwarza się te informacje?

Tu wchodzi AI (sztuczna inteligencja) – sieci neuronowe, systemy ekspertowe, które wspierają decyzje operatora. Bo na końcu tego łańcuszka znajduje się operator, który obsługuje centrum diagnostyczne na lądzie. Pracuje tam cały sztab ludzi, który kontroluje, czy użytkowanie może być kontynuowane, czy może trzeba przeprowadzić jakąś regulację. Gorzej, jeśli z turbiną dzieje się coś złego. To może dotyczyć każdego, nawet najdoskonalszego obiektu technicznego.

Czy systemy prowadzące inspekcję turbin mogą wyeliminować człowieka?

Tak. Nawet muszą! Podstawową czynnością diagnosty jest zbadanie obiektu na drodze  pomiarów. Następnie przeprowadza wnioskowanie diagnostyczne i stawia diagnozę. Tutaj te wszystkie czynności, począwszy od pomiaru muszą być wspomagane pracą systemów informatycznych. Proces monitorowania morskich turbin wiatrowych jest prawie do końca prowadzony przez urządzenia automatyczne i robotyczne. Natomiast decyzja o wyłączeniu turbiny w sytuacji, gdy jej parametry kontrolne nie przekraczają wartości progowych, należy do człowieka (operatora).

A jeśli chodzi o serwisowanie? Czy tu też automatyzacja może wyprzeć człowieka?

Aż tak daleko nie. Automatycznie serwisujemy turbiny na etapie oceny stanu dokonywanej online. Przeprowadzenie napraw w systemie zdalnym nie jest możliwe.

Obserwowałem w akcji robota Blade Bug, który zastępuje te charakterystyczne postacie serwisantów wiszące na linach przytwierdzonych do łopat turbiny, które widzimy w Internecie. Ludzie wchodzą do wnętrza łopaty i sprawdzają, czy coś nie pękło. Idzie to zatem w kierunku zastąpienia człowieka robotami. Dron też może rejestrować i analizować sygnały optyczne i akustyczne.

To, że „na turbinę” pojedzie ekipa, powinno być ostatecznością. Jak już mówiłem, na morzu pogoda może się gwałtownie zmienić. Ekipa serwisowa może się tam dostać, ale mieć problem, żeby wrócić. Znam to z przekazu od znajomego inżyniera, który pracował przy morskich farmach wiatrowych i platformach wydobywczych w USA. Żeby pracować przy serwisowaniu turbiny, trzeba mieć odpowiednie cechy psychofizyczne. A Bałtyk nie jest przyjemnym morzem, szczególnie w sezonach przejściowych, jesień, zima i wiosna.

Czyli lepiej zapobiegać niż leczyć – czyli w tym wypadku serwisować?

Wyprzedzać chwilę, gdy pojawi się uszkodzenie. Wyłączyć turbinę z ruchu, zanim pojawi się jej uszkodzenie wtórne. Przykładowo, każde, nawet najlepiej wykonane łożysko poddawane zmiennym i nadmiernym obciążeniom może ulec uszkodzeniu. To tylko drobny element bardzo złożonego układu mechanicznego, ale jego uszkodzenie, które w diagnostyce określamy pierwotnym, może spowodować wtórne uszkodzenia całego zespołu napędowego, łącznie z urwaniem się łopaty wirnikowej, pęknięciem wału transmisyjnego czy przekładni redukcyjnej. To powoduje ogromny zakres prac przy odtwarzaniu stanu technicznego. Na lądzie to też jest skomplikowane, ale nie aż tak jak na morzu.

Jak szybko takie drony, czy roboty, jak Blade Bug mogą być rozpowszechnione?

Gdy we wrześniu 2021 roku byłem w St. Nazaire, byli tam obecni nie tylko giganci turbinowi offshore, tacy jak GE, Vestas czy Siemens Gamesa, ale też firmy mniejsze, specjalizujące się w innowacjach technologicznych. Blade Bug miał być wdrożony do eksploatacji  już w 2022 roku. Jego możliwości są ogromne. Mówimy tu o wyposażeniu robotów i dronów w odpowiednią aparaturę pomiarową. Podstawą jest tu system SCADA – zbieranie parametrów, ich przetwarzanie i wnioskowanie. To powinno wchodzić jednocześnie z budową farm wiatrowych na morzu. Dostępność informacji o innowacjach w tym względzie nie jest natomiast powszechna. Informacje podawane w Internecie są tylko szczątkowe.

A jaka jest przyszłość morskich turbin wiatrowych? Będą stawiane coraz większe czy może coraz dalej wysunięte – czyli pływające?

Niewątpliwie przyszłością są pływające farmy wiatrowe. Te co prawda też będą coraz większe. Jeżeli mamy na morzu silniejsze wiatry, możemy stawiać większe turbiny. Im większe turbiny, tym większe wyzwania techniczne i technologiczne. Ale jak już stawiamy, to żeby koszt budowy (na etapie inwestycyjnym jest to szacunkowo 1,5-2 milionów euro za 1 MW mocy) się zwrócił, to korzystniej jest stawiać na morzu turbiny jak największe. W ślad za tym muszą jednak iść coraz większe statki i urządzenia instalacyjne do zabudowania turbin na morzu – jack-upy, dźwigi itd. Statki do stawiania największych turbin dostępne są w ograniczonej liczbie. Tak więc pojawiają się dodatkowe koszty inwestycyjne. Natomiast czołowe światowe ośrodki, my na Politechnice Gdańskiej również, prowadzą w tej chwili badania w kierunku pływających farm wiatrowych. Te, nawet postawione na środku oceanu, będą mogły generować i przesyłać prąd na ląd. Może to dziś iluzoryczna wizja, ale już jutro będzie to codzienność. Prace badawcze idą w tym kierunku.

Rozumiem, że w wypadku „pływaków” systemy do inspekcji będą jeszcze ważniejsze, bo serwisowanie będzie jeszcze trudniejsze?

Dokładnie. Jest jeszcze jedna kwestia. Prace naukowo-badawcze idą również w kierunku odzyskiwania nadmiarowej energii z wiatru. Taka sytuacja miała miejsce ostatnio, gdy z mediów słyszeliśmy, że Brytyjczycy mieli problem, bo tak silnie wiało, że nie wiedzieli, co z tym robić. Zdarza się i tak, że mamy nadmiar energii elektrycznej z wiatru. Ważna jest więc kwestia jej przetwarzania i akumulacji w tzw. układach kogeneracji różnego rodzaju energii. Tu przewiduje się współpracę turbiny wiatrową z elektrolizerem, który wytwarzałby wodór. Ten z kolei byłby wykorzystywany do wtórnej produkcji energii elektrycznej w ogniwie paliwowym, np. do zasilania statków serwisowych. Są jeszcze akumulatory ciśnieniowe, w których energia elektryczna służy do sprzężenia powietrza i przechowywania go w podwodnych magazynach ciśnieniowych. Później, kiedy brakuje wiatru  mogłoby ono napędzać turbinę powietrzną wraz z generatorem, do wtórnej produkcji energii elektrycznej. Dlatego magazyny energii to bardzo ważne wyzwanie. Równolegle rozwijane są technologie wodorowe.

Czy efekty badań w offshore wind są szybciej wdrażane niż w innych dziedzinach przemysłu?

Dzisiaj praktycznie nie prowadzi się badań w oderwaniu od przemysłu. Aby zdobyć grant, tworzy się konsorcja uczelni z partnerem przemysłowym, przy czym ten ostatni najczęściej powinien być jednostką wiodącą. Będąc we Francji na konferencji Seanergy, nawiązałem sporo kontaktów z naukowcami i wizytowałem stoiska uczelniane. Stoiska Uniwersytetu i Politechniki w Nantes były wręcz oblegane. Miałem problem, żeby porozmawiać z pewnym profesorem, bo tak dużo ludzi z przemysłu poszukuje konsultacji specjalistycznych w zakresie offshore u naukowców francuskich. My w Polsce jeszcze tego nie mamy, bo nie mamy pracujących turbin na Bałtyku. Inaczej to będzie wyglądać, gdy ta technologia do nas wreszcie trafi i stanie się bardziej namacalna.

To znaczy, że polska nauka też zyska na morskich farmach wiatrowych?

Taką mam nadzieję. Najgorszy scenariusz, to gdyby np. Duńczycy, Niemcy czy Amerykanie przyjechali, postawili farmy wiatrowe na morzu, przeszkolili 50-100 osób w zakresie ich obsługi i wyjechali. Zawsze będą pojawiały się przecież problemy eksploatacyjne. Co do rozwijania nowych technologii produkcji nasze możliwości są bardziej ograniczone, ale na etapie eksploatacji jest nadzieja, że właściciele farm wiatrowych będą korzystać z pomocy polskich uczelni, przynajmniej w zakresie konsultacji specjalistycznych, a może również zlecanych badań naukowych.

Fot. Depositphotos

Prof. dr hab. inż. Zbigniew Korczewski – wykładowca Politechniki Gdańskiej w Instytucie Oceanotechniki i Okrętownictwa, Zakładzie Siłowni Okrętowych. Autor wielu publikacji, m.in.: Diagnostyka eksploatacyjna okrętowych silników spalinowych tłokowych i turbinowych , Endoskopia silników okrętowych i Metodyka testowania paliw żeglugowych w rzeczywistych warunkach pracy silnika o zapłonie samoczynnym.